MS / Лекция_5

41

5 ПОВЕДЕНИЕ КРЕМНИЯ И МАРГАНЦА В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ

5.1 Окисление кремния в сталеплавильных процессах

В сталеплавильных агрегатах основное количество кремния окисляется в результате взаимодействия с оксидами железа шлака по реакции

Из уравнения (5.2) видно, что реакция (5.1) является сильной экзотерми-

ческой реакцией. Протеканию этой реакции в направлении образования SiO2

способствуют низкие температуры начального периода плавки, а также высокая активность (FeO) и низкая активность (SiO2 ) . Высокие температуры заключи-

тельного периода плавки в сочетании с низкой окисленностью ванны и высокой активностью (SiO2 ) способствуют протеканию реакции в направлении восста-

новления кремния.

При выплавке металла в агрегатах с основной футеровкой в начальном периоде плавки происходит быстрое окисление кремния до остаточного его со-

держания 0,01 – 0,02% («следы»). Протеканию реакции (5.1) в направлении окисления кремния способствуют относительно низкая температура и высокое содержание оксидов железа в шлаке.

В дальнейшем по ходу плавки температура ванны увеличивается. Повы-

шение температуры создает предпосылки для протекания экзотермической ре-

акции (5.1) в направлении восстановления кремния. Однако по мере роста тем-

пературы увеличивается растворимость оксида кальция в шлаке. Повышение основности шлака сопровождается уменьшением активности (SiO2 ) , что спо-

собствует более полному обескремниванию металла. Практика показывает, что влияние основности шлака на полноту протекания реакции (5.1) оказывается

42

доминирующим. Поэтому окислившийся в начальном периоде плавки кремний

вдальнейшем не восстанавливается.

5.2Основные принципы получения заданного содержания кремния в стали

При выплавке стали в агрегатах с основной футеровкой кремний метал-

лической шихты полностью окисляется, поэтому все предусмотренное маркой выплавляемой стали количество кремния вводят в металл в заключительном периоде плавки.

Кремний и ферросплавы с высоким его содержанием имеют низкие тем-

пературы плавления, а растворение их в расплавах железа не приводит к суще-

ственному понижению температуры металла. По этой причине основное коли-

чество кремния целесообразно вводить в сталь в составе высококремнистых ферросплавов, которые подают в ковш по ходу выпуска плавки. Угар кремния при этом обычно составляет 10 – 30%.

В некоторых случаях ферросилиций вводят в металл в сталеплавильном агрегате. Например, при выплавке стали в мартеновских печах кремний вводят в ванну перед выпуском плавки для так называемого предварительного раскис-

ления. Для предварительного раскисления целесообразно использовать низко-

кремнистые ферросплавы (15 – 20% Si), плотность которых больше плотности шлака. При предварительном раскислении в металл вводят 0,1 – 0,2% кремния,

угар кремния при этом обычно составляет 40 – 60%.

В некоторых случаях во время раскисления и легирования стали возмож-

но не только окисление, но и восстановление кремния. Обычно оно наблюдает-

ся при обработке металла с малым содержанием кремния большими количест-

вами алюминия, титана и других сильных раскислителей. Источником SiO2

для восстановления кремния могут служить печной шлак или шамотная футе-

ровка сталеразливочного ковша.

43

По этой причине легирование стали большими количествами алюминия и титана рекомендуется переносить из печи в ковш.

Восстановление кремния из кислой футеровки сталеразливочного ковша получает сильное развитие при длительном перемешивании металла во время вакуумирования или продувки нейтральным газом. В связи с этим при вакуу-

мировании и продувке нейтральным газом металла с высоким содержанием ти-

тана и алюминия целесообразно отказаться от использования ковшей с шамот-

ной футеровкой, заменив их ковшами, футерованными доломитом, магнезитом и др.

При длительной вакуумной обработке восстановление кремния из кислой футеровки сталеразливочного ковша возможно также и в результате реакции с растворенным в металле углеродом, который в условиях глубокого вакуума становится сильным раскислителем.

5.3Окисление и восстановление марганца в сталеплавильных процессах

В сталеплавильных агрегатах основное количество марганца окисляется в результате взаимодействия с оксидами железа шлака по реакции

Из уравнения (5.4) видно, что реакция (5.3) является сильной экзотермической реакцией. Поэтому более полному ее протеканию в направлении окисления марганца будут способствовать относительно низкие температуры начального периода плавки. Повышение температуры ванны в заключительном периоде плавки создает предпосылки для частичного восстановления марганца из окси-

да в шлаке. Кроме того, окислению марганца по реакции (5.1) будут способст-

вовать высокая активность оксида железа и низкая активность оксида марганца в шлаке.

44

Изменение содержания марганца по ходу плавки в любом сталеплавиль-

ном агрегате подчиняется следующим общим закономерностям. Качественно они одинаковы для кислых и основных процессов.

В начальном периоде плавки марганец интенсивно окисляется. Этому способствуют низкие температуры ванны и наличие первичных сталеплавиль-

ных шлаков с высоким содержанием оксидов железа.

Если шлак периода плавления в большом количестве скачивается из ста-

леплавильного агрегата, вместе с ним удаляется основное количество (MnO).

Поэтому в дальнейшем остаточное содержание марганца в металле остается на низком уровне и по ходу плавки существенно не меняется.

Если плавка ведется без скачивания шлака, в основных сталеплавиль-

ных агрегатах реакция окисления марганца достигает состояния равновесия при остаточном содержании марганца 0,1 – 0,2% в зависимости от концентра-

ции марганца в металлической шихте.

В заключительном периоде плавки температура ванным повышается. По-

этому при незначительном повышении содержания (FeO), которое имеет место при концентрации углерода в металле более 0,2 – 0,3%, содержание марганца в металле несколько увеличивается. Но при выплавке стали, содержащей менее

0,1 – 0,15% C , в заключительном периоде плавки наблюдается быстрый рост содержания (FeO). При этом содержание марганца в металле уменьшается, не-

смотря на дальнейшее повышение температуры ванны.

В качестве примера рисунке 5.1 показано изменение содержания марган-

ца в металле при переработке в основном кислородном конвертере чугунов с различным содержанием марганца.

При переработке чугуна с высоким содержанием марганца по одношла-

ковой технологии в результате восстановления марганца из шлака в заключи-

тельном периоде плавки его содержание в металле может быть получено на уровне, отвечающем химическому составу выплавляемой стали. Однако расче-

ты показывают, что при этом 67 – 75% общего количества внесенного металли-

ческой шихтой марганца будет потеряно в результате окисления. Учитывая

45

Рисунок 5.1 – Изменение содержания марганца в металле при переработке в ки-

слородном конвертере чугуна с различным исходным содержанием марганца:

1 – 4% Mn ; 2 – 1,2% Mn ; 3 – 0,8% Mn ; 4 – менее 0,2% Mn

возрастающую дефицитность марганца, более целесообразным способом полу-

чения заданного содержания марганца в стали является переработка низкомар-

ганцевой металлической шихты и ввод недостающего количества марганца в металл в составе ферросплавов в ковше или в печи в заключительном периоде плавки.

5.4Основные принципы получения заданного содержания марганца в стали

Обычно содержание марганца в металле заключительного периода плав-

ки ниже уровня, который предусмотрен химическим составом выплавляемой стали. Поэтому необходимое содержание марганца в стали обеспечивается до-

полнительным вводом в металл некоторого количества марганца в составе фер-

росплавов (ферромарганца, силикомарганца, металлического марганца и др.).

46

Ферромарганец является удобным материалом для введения в ковш, т. к.

имеет низкую температуру плавления (~ 1500оС), высокую плотность и хорошо растворяется в жидком железе.

При выплавке углеродистой и низколегированной стали в результате присадки ферромарганца происходит незначительное понижение температуры металла. Растворение в жидком металле при 1600 – 1620оС 1% холодного фер-

ромарганца сопровождается охлаждением расплава на 16 – 17оС. В процессе растворения обычно происходит окисление некоторого количества марганца,

которое сопровождается выделением тепла и нагревом металла.

При вводе марганца в ковш возможный нагрев металла в результате окисления 0,1% марганца кислородом атмосферы составляет 8 – 10оС. При по-

даче ферромарганца в ванну сталеплавильного агрегата окисление происходит в результате взаимодействия с оксидами железа шлака. При этом возможный нагрев металла составляет 2 – 3оС.

При выплавке углеродистой стали расход ферромарганца обычно не пре-

вышает 1% от массы металла. Угар марганца при раскислении в ковше обычно составляет 10 – 20%. Следовательно, в этом случае охлаждение металла в ре-

зультате ввода ферромарганца не должно превышать 5 – 10оС, что сравнимо с точностью измерения температуры стали термопарами погружения. Поэтому при производстве углеродистой стали ферромарганец обычно вводят в ковш, не опасаясь существенного охлаждения металла.

Подача ферромарганца в ковш возможна и при выплавке низколегиро-

ванного металла (1 – 2% Mn ), но при этом температура металла в конце окис-

лительного рафинирования должна быть на 10 – 20оС выше обычной.

При производстве стали с более высоким содержанием марганца он мо-

жет быть введен в ковш в виде предварительно нагретых ферросплавов или жидкой лигатуры, а также в ванну сталеплавильного агрегата.

Нагрев ферросплавов до 800 – 900оС позволяет вводить ферромарганец в ковш в количестве до 4% без заметного охлаждения металла.

47

В мартеновских цехах легирование стали марганцем может проводиться в печи непосредственно перед выпуском плавки. При этом масса разовой присад-

ки ферросплавов не должна превышать 1 – 2% от массы металла. Следующая присадка проводится через 15 – 20 минут, в течение которых ферросплавы пла-

вятся и марганец равномерно распределяется в объеме металла. При подаче ферромарганца в кипящую ванну его угар обычно составляет 20 – 40%. С це-

лью уменьшения потерь марганца подачу ферросплавов целесообразно прово-

дить после предварительного раскисления ванны.